米国の重要産業の大半はエネルギー集約型であり、化石燃料への依存度が極めて高いです。化石燃料は安価で、信頼性が高く、入手可能で、コントロールが容易です。しかし、決して持続可能なものではありません。私たちは、産業プロセスに代替のアプローチを実装するために、迅速かつ具体的なステップを踏む必要があります。
米国エネルギー省によれば、2030年までに米国の主要8産業セクターの排出量を40％削減することは可能です。残念なことに、産業界の脱炭素化を促進する努力にもかかわらず、現在のペースでは、2030年までにこれらの主要産業からの排出量の割合が増加することになります。
私たちの進歩を遅らせる要因はいくつかあります。技術的な要因もありますが、それ以上に、経済的、政治的、さらには心理的な要因が重なって、脱炭素化への取り組みを阻んでいることが多いのです。その結果、エネルギー省によれば、「先発企業になりたがらない企業」が蔓延しています。この消極的な姿勢の主な原因は不確実性です。
産業・製造部門の意思決定者は、数十年持続するシステムのために、すぐに投資決定を下す必要があります。その一方で、再生可能エネルギー、低炭素ソリューション、炭素回収技術をどのような組み合わせで、いつ導入するかを決定することは、特に変動する価格や金利、炭素税、政府のインセンティブを考慮すると非常に難しいのです。
エンジニア、設計者、意思決定者は、これらの要素を1つの場所にまとめるための、より包括的な新しいツールを必要としています。
モデロンが、製造業や産業部門だけでなく、エネルギー生産者がマルチフィデリティシミュレーションとモデルベース設計を使用して、事業を脱炭素化するための多くの戦略を検討するのをどのように支援しているかをご覧ください。
概要 – 脱炭素化を軌道に乗せる
米国エネルギー省が特定した8つの主要産業部門は、米国の炭素排出量の14％を占めており、年間およそ8億8,000万トンの二酸化炭素を排出しています。すなわち、化学製造業（これだけで米国全体の炭素排出量の7％を占める）、石油精製業、鉄鋼業、食品・飲料加工業、パルプ・紙加工業、セメント製造業、アルミニウム製造業、ガラス製造業です。
これらの産業は、私たちの現在の生活にとって不可欠であるだけでなく、世界的なクリーンエネルギーへの移行、再生可能エネルギー源の発見と改善の努力、脱炭素技術の広範な展開にとっても不可欠です。脱炭素経済は、これらの主要産業に関連する排出量に対処しなければなりません。
しかし、これらの産業における現在の脱炭素化の取り組みは、比較的単純な技術戦略のごく一部に限られています。これらの方法は、大規模な投資やプロセスの変更を必要とせず、主にエネルギー効率、電化、代替燃料（天然ガスの代わりに水素など）に焦点を当てています。残念ながら、これが簡単に実現可能な解であるにもかかわらず、本格的な導入はまだ始まっておらず、仮にこれらの対策が排出量の多い産業全体に広く採用されたとしても、これら8つのセクターの炭素排出量は10％しか削減できません。
米国における徹底的な脱炭素化に向けた広範な取り組みは、国際的な取り組みと米国自身の国内ネットゼロ目標の両方に追いつく必要がありますが、ほとんどの産業は、現在の短期的な解決策を、コストと利益が確実に予測できる戦略に限定しています。私たちは、より深く、より速く、業界全体で脱炭素化に取り組む必要があります。
クラウドベースのマルチフィデリティ、物理ベースのモデリングツールは、多様なチームが様々な設計や制御アプローチについて容易に共同作業を行うのに役立ちます。これらのツールを使用することで、さまざまな環境、技術、および経済的条件が産業プロセスに及ぼす影響を予測し、その知識を使用して、最も広い範囲の条件で性能とコストの最適なバランスを見つけることができます。
ビジネスケース – 産業の脱炭素化問題のための技術経済モデリング
広範な産業における脱炭素化は、技術的、経済的、政治的な要素が多岐にわたるため、その実現は非常に困難です。しかし、適切な設計とシミュレーションのツールは、開発時間を短縮し、コンポーネントレベルだけでなくシステムレベルでも、バリューチェーンのあらゆる段階でベストプラクティスをサポートすることができます。そしてそのようなツールは、単一の統一されたモデルでそれを行うことができます。適切なシミュレーションツールは、設計者や意思決定者がさまざまなKPIに照らして技術的な選択肢を評価するために必要な可視性を提供します。
例えば、システムレベルでは、包括的でマルチフィデリティな物理ベースの動的モデルが、大部分の水素エネルギー技術への移行を達成するために、すでに企業を支援しています。多くの産業の製造業者やエネルギー生産者は、二酸化炭素排出量を削減するために炭素回収・貯留（CCS）技術に投資するか、あるいは水素ベースや他の再生可能なソリューションに即座に切り替えるか、という計画に対する政府のインセンティブ、再生可能エネルギークレジット、炭素税の影響を計量するために、マルチフィデリティ・モデルを使用しています。
エンジニアや意思決定者は、より包括的でマルチフィデリティな技術経済モデルを採用することで、複雑な技術システムに対する経済的・政治的な現実の影響を考慮し、将来のさまざまなシナリオに備え、今日から自信を持って長期的な投資決定を下すことができます。
ソリューション – 技術的・経済的最適化のための専門モデリングツール
Modelon Impactは、モデルベース設計を用いて物理システムを設計、シミュレーション、分析するためのクラウドプラットフォームです。エネルギー・プロセスライブラリおよび火力発電ライブラリを通じて、Modelon Impactは、個々の製造工場や単一建物のマイクログリッドソリューションから自治体規模の地域暖房システムまで、さまざまな産業現場のニーズを満たす包括的で柔軟なモデルを作成することができます。ほとんどのモデリングソリューションでは、固定された制御構造（その中でコンポーネントのサイジングを検討することができます）または固定されたコンポーネント設計（制御戦略分析を行うことができます）のいずれかを行うことができますが、Modelonの最新のライブラリは、両方を同時に行うことができます。
新しいエネルギーシステムライブラリは、技術・経済的最適化フレームワークを特徴としており、これは他に類を見ないツールで、ユーザーに設備やシステムの実際の数学的設計と運転の最適化を提供します。技術・経済的最適化フレームワークを使用すると、ユーザーは最適なサイズと制御戦略を同時に検討し、（必要に応じて）資本支出（CAPEX）と固定または変動運転支出（OPEX）をコンポーネントごとに割り当てて、さまざまな忠実度、価格、金利、排出税、経済条件でそれらを評価することができます。
現在のエネルギーシステムライブラリでは、CAPEX、OPEX、総所有コスト、正味現在価値、投資回収時間など、さまざまなKPIにわたって技術的・戦略的評価を行うことができます。このライブラリは、以前のエネルギー＆プロセス・マイクログリッド・パッケージをベースにしており、脱炭素産業向けに最適化されています。
ユースケース – Modelon Impactを活用した産業現場の脱炭素化
産業用製造業は、すでにModelon Impactを使用して、米国事業の脱炭素化に挑戦しています。例えば、モデロンは、2050年までに完全に脱炭素化することを約束したホンダと緊密に協力しています。この試みの第一歩は、米国に拠点を置く組立工場の脱炭素化を計画するパイロット・プログラムです。このパイロット・プログラムでは、ホンダは、最も持続可能なコストで最も大幅な二酸化炭素排出削減を実現するために、どのような投資を行うべきか（そして、どのようなタイミングで投資を行うべきか）を判断するために、幅広い視野を持ちたいと考えていました。
このような設計上の決定を効率的に行うために、チームは、ディーゼル車、電気自動車、プロパン車、太陽光発電、水素、バッテリー、燃料電池を考慮に入れた既存の米国組立工場を正確に表現するモデルを必要としました。モデルはまた、太陽光発電の表面積、バックアップに必要な最小限のエネルギー貯蔵、規制上限と組み合わせた季節ごとのエネルギー需要、ピークカット戦略など、経済的かつ現実的なニーズも考慮する必要がありました。
モデロンは最終的に、火力発電ライブラリのネイティブマイクログリッドパッケージと技術・経済的最適化フレームワークを利用して、ホンダのモデルをImpactプラットフォーム上に構築しました。このモデルには、建物、輸送、HVACシステムの変動する電気、水素、熱負荷を含んでいます。クライアントは、検討中のプラント構成ごとに制御戦略を設計するのではなく、Modelon Impactのネイティブソルバーを使用して、コンポーネントのサイジングと制御戦略の両方を同時に最適化しました。
最終的には、ピークカットや大需要期のデマンドチャージに関連するコストを考慮しながら、総運用コスト（各コンポーネントの固定費と運用コストに関する顧客の見積もりに基づく）を決定するのに役立ち、今後の意思決定の基礎が築かれました。
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